Фитопланктон

Фитопланктон — это совокупность микроскопических водорослей и цианобактерий, обитающих в толще воды и способных к фотосинтезу. Является ключевым компонентом планктона, первичным продуцентом органического вещества в водных экосистемах. Фитопланктон служит основой большинства пищевых цепей в океанах, морях и пресных водоёмах, а также производит значительную часть кислорода на Земле.

Общая характеристика

Фитопланктон не является таксономической группой, а представляет собой экологическую группу организмов, объединённых способом жизни — пассивным парением в водной толще. Размеры фитопланктона варьируются от долей микрометра (пикопланктон) до нескольких миллиметров (крупные диатомеи и колониальные формы). Основные группы фитопланктона включают:

• Диатомовые водоросли (Bacillariophyta) — одноклеточные или колониальные водоросли с кремниевым панцирем. Доминируют в холодных и богатых питательными веществами водах.
• Динофлагелляты (Dinoflagellata) — жгутиконосцы, многие из которых способны к биолюминесценции и токсинообразованию (вызывают «красные приливы»).
• Кокколитофориды (Haptophyta) — одноклеточные водоросли, покрытые известковыми пластинками (кокколитами). Играют важную роль в глобальном цикле углерода.
• Цианобактерии (Cyanobacteria) — фотосинтезирующие прокариоты, часто называемые сине-зелёными водорослями. В пресных водах могут вызывать «цветение» воды.
• Зелёные водоросли (Chlorophyta) — широко распространены в пресных водоёмах, реже в морях.

История изучения

Первые наблюдения фитопланктона стали возможны после изобретения микроскопа. В 1676 году Антони ван Левенгук описал микроскопические водоросли из прудовой воды. Систематическое изучение началось в XIX веке. Немецкий биолог Виктор Гензен в 1887 году ввёл термин «планктон» и разработал методы количественного учёта планктонных организмов. В XX веке, с развитием спутниковых технологий, стало возможным наблюдать распределение фитопланктона по цвету океана (концентрация хлорофилла). В XXI веке исследования фитопланктона ведутся с использованием дистанционного зондирования, молекулярно-генетических методов и автоматических подводных станций.

Распространение и условия обитания

Фитопланктон встречается во всех освещённых слоях водоёмов — от поверхности до глубины, куда проникает солнечный свет (фотическая зона, обычно до 100–200 м в океане). Основные факторы, определяющие распределение и численность фитопланктона:

• Свет — необходим для фотосинтеза. В мутных водах фотическая зона может быть ограничена несколькими метрами.
• Питательные вещества — азот, фосфор, кремний (для диатомей), железо. В океане их концентрация часто лимитирует рост фитопланктона, особенно в открытых водах (так называемые «океанические пустыни»).
• Температура — влияет на скорость метаболизма и видовой состав. Разные группы предпочитают разные температурные диапазоны.
• Солёность — определяет видовой состав в морских и пресных водах.

Сезонные изменения в умеренных широтах приводят к весеннему «цветению» фитопланктона, когда после зимнего перемешивания воды в фотическую зону поступают питательные вещества, а световой день увеличивается. В тропиках и полярных регионах сезонность выражена слабее или имеет иной характер.

Роль в экосистемах

Первичная продукция

Фитопланктон является основным первичным продуцентом в Мировом океане. По разным оценкам, он обеспечивает от 45 до 50% всей первичной продукции Земли, несмотря на то, что биомасса фитопланктона составляет менее 1% от общей биомассы растений. Скорость фотосинтеза фитопланктона сопоставима с продуктивностью наземных экосистем, но из-за быстрого оборота биомассы (от нескольких дней до нескольких недель) его вклад в глобальный круговорот углерода огромен.

Пищевая цепь

Фитопланктон служит кормовой базой для зоопланктона (мелких ракообразных, личинок рыб, кишечнополостных), который, в свою очередь, поедается рыбами, китами и другими животными. Таким образом, фитопланктон находится в основании большинства морских и пресноводных пищевых пирамид. Продуктивность промысловых видов рыб (например, сельди, анчоуса, трески) напрямую зависит от обилия фитопланктона.

Кислород

В процессе фотосинтеза фитопланктон выделяет кислород. По оценкам, около 50–70% кислорода в атмосфере Земли производится фитопланктоном. Этот процесс не только поддерживает дыхание водных организмов, но и влияет на газовый состав всей планеты.

Глобальное значение

Углеродный цикл

Фитопланктон играет ключевую роль в биологическом насосе углерода. При фотосинтезе он поглощает углекислый газ (CO₂) из атмосферы и поверхностных вод. Часть органического углерода, образующегося при фотосинтезе, опускается в глубокие слои океана в виде отмерших клеток, фекальных пеллет зоопланктона и других органических частиц. Этот процесс, называемый «экспортной продукцией», выводит углерод из атмосферы на сотни и тысячи лет, захоранивая его в донных отложениях. Изменение активности фитопланктона может существенно влиять на концентрацию CO₂ в атмосфере и, следовательно, на климат.

Влияние на климат

Фитопланктон влияет на климат не только через углеродный цикл. Некоторые виды (например, кокколитофориды) выделяют диметилсульфид (DMS) — газ, который в атмосфере окисляется до сульфатных аэрозолей. Эти аэрозоли служат ядрами конденсации облаков, увеличивая облачность и отражательную способность Земли (альбедо). Таким образом, фитопланктон может влиять на температуру планеты.

«Цветение» воды

Массовое размножение фитопланктона, приводящее к изменению цвета воды, называется «цветением». Оно может быть естественным (весеннее цветение в умеренных широтах) или антропогенным, вызванным эвтрофикацией — поступлением избыточного количества биогенных элементов (азота и фосфора) со сточными водами, удобрениями с полей и промышленными сбросами. «Цветение» часто сопровождается негативными последствиями:

• Токсичность — некоторые виды цианобактерий и динофлагеллят выделяют токсины, опасные для человека и животных.
• Гипоксия — после отмирания фитопланктона его разложение бактериями потребляет растворённый кислород, что приводит к заморам рыбы и образованию «мёртвых зон».
• Ухудшение качества воды — изменение вкуса, запаха, появление слизи.

В России «цветение» воды является серьёзной проблемой для многих водоёмов, включая Волгу, Дон, Цимлянское водохранилище, а также для озёр (например, Ладожского и Онежского). В Чёрном море также наблюдаются «цветения», вызванные эвтрофикацией.

Мониторинг и исследования

Наблюдение за фитопланктоном ведётся с помощью:

• Спутниковых снимков — измерение концентрации хлорофилла «а» по цвету океана (например, прибор MODIS на спутниках Terra и Aqua).
• Судовых станций — отбор проб с помощью планктонных сетей и батометров.
• Автоматических буёв — непрерывная регистрация флуоресценции хлорофилла, температуры, солёности.
• Молекулярно-генетических методов — метабаркодирование для оценки видового разнообразия.

В России исследования фитопланктона проводятся институтами РАН (Институт океанологии им. П. П. Ширшова, Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина, Мурманский морской биологический институт), а также в рамках государственного мониторинга водных объектов (Росгидромет, Росприроднадзор).

Интересные факты

• Фитопланктон способен к вертикальным миграциям: некоторые виды днём опускаются в более глубокие слои, а ночью поднимаются к поверхности.
• Красное море получило своё название из-за периодического «цветения» цианобактерии Trichodesmium erythraeum, придающей воде красноватый оттенок.
• Биомасса фитопланктона в Мировом океане обновляется каждые несколько дней, что делает его самой быстрорастущей биомассой на Земле.
• Некоторые виды фитопланктона (например, Emiliania huxleyi) образуют колоссальные «цветения», видимые из космоса.

Источники

• Рейнольдс К. С. Экология фитопланктона. — М.: Мир, 2006.
• Виноградов М. Е., Шушкина Э. А. Функциональная экология морского планктона. — М.: Наука, 1987.
• Савенко В. С. Фитопланктон и биологический насос углерода в океане. — М.: ГЕОС, 2013.
• Falkowski P. G., Raven J. A. Aquatic Photosynthesis. — Princeton University Press, 2007.
• Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. Photosynthetic rates derived from satellite-based chlorophyll concentration // Limnology and Oceanography. — 1997. — Vol. 42, No. 1. — P. 1–20.
• Field C. B., Behrenfeld M. J., Randerson J. T., Falkowski P. G. Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components // Science. — 1998. — Vol. 281, No. 5374. — P. 237–240.